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1、光电效应实验一定频率的光照射在金属表面时, 会有电子从金属表面逸出,这种现象称为光电效应。1887 年赫兹发现了光电效应现象，以后又经过许多人的研究，总结出一系列实验规律。1905年，爱因斯坦在普朗克能量子假设的基础上，提出了光量子理论，成功地解释了光电效应的实验原理光电效应的实验原理如图1所示。用强度为P的单色光照射到光电管阴极K时，阴极 释放出的光电子在电场的加速作用下向阳极板A迁移，在回路中形成光电流。图 1实验原理图全部规律。图 2 光电管同一频率不同光强的伏安特性曲线用实验得到的光电效应的基本规律如下：】、 光强P 定时，改变光电管两端的电压UAK，测量出光电流1的大小，即可得出光电
2、管的伏安特性曲线。随U 的增大，I迅速增加，然后趋于饱和，饱和 AK光电流的大小与入射光的强度P成正比。2、当光电管两端加反向电压时，光电流将逐步减小。当光电流减小到零时，所对 应的反向电压值，被称为截止电压U0 （图2）。这表明此时具有最大动能的光 电子刚好被反向电场所阻挡，于是有mV 2 eU （式中m、V0、e分别为电子的质量、速度和电荷量）。（1）2 0 0 0不同频率的光，其截止电压的值不同（图3）。3、改变入射光频率时，截止电压U0随之改变，与成线性关系（图4）。实验表明， 当入射光频率低于（随不同金属而异，称为截止频率）时，不论光的强度如何， 照射时间多长，都没有光电流产生。图3
3、光电管不同频率的伏安特性曲线图4截止电压U0与频率 的关系4、光电效应是瞬时效应。即使入射光的强度非常微弱，只要频率大于，在开始照射后立即有光电子产生，延迟时间最多不超过10 -9秒。经典电磁理论认为，电子从波阵面上获得能量，能量的大小应与光的强度有关。因 此对于任何频率，只要有足够的光强度和足够的照射时间，就会发生光电效应，而上述 实验事实与此直接矛盾。显然经典电磁理论无法解释在光电效应中所显示出的光的量子 性质。按照爱因斯坦的光量子理论，光能是集中在被称之为光子的微粒上，但这种微粒仍 然保持着频率（或波长）的概念，频率为的光子具有能量E = hv，为普朗克常数。当 光束照射金属时，是以光粒
4、子的形式打在它的表面上。金属中的电子要么不吸收能量, 要么就吸收一个光子的全部能量，而无需积累能量的时间。只有当这能量大于电子摆脱 金属表面约束所需的逸出功A时，电子才会以一定的初动能逸出金属表面。按照能量 守恒原理，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程：hv = mV 2 + A（2）2 o1 “式中，为金属的逸出功，怎mV 2为光电子获得的初始动能。2 o由该式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能越大。光子的能量hv 1卩AfLm，阳极：镍圈。暗电流：I 2x 10-12A （ - 2V U 0V ）AK4、滤光片： 5 片，透射波长 365.0nm、 404.7nm、 435.8
5、nm、 546.1nm、 578.0nm 光阑： 3 片，直径 2mm， 4mm， 8mm5、汞灯：可用谱线 365.0nm、 404.7nm、 435.8nm、 546.1nm、 578.0nm测量误差：实验内容一、必做部分：1 了解光电效应的基本规律。2 测定光电管伏安特性曲线和入射光频率与光电管截止频率间的关系，计算普朗克 常数。注意事项：1、 做好测试前准备：1）用专用连接线将光电管暗箱电压输入端与测试仪电压输出端（后面板上）连接 起来（注意导线与接口的颜色）。2）将汞灯及光电管暗箱遮光盖盖上，将汞灯暗箱光输出口对准光电管暗箱光输入口，调整光电管与汞灯距离约为40cm并保持不变。3）将
6、测试仪及汞灯电源接通，预热20分钟。2、测定普朗克常数时注意调零和汞灯的遮盖：理论上，测出各频率的光照射下阴极电流为零时对应的U ，其绝对值即为该频AK率的截止电压（零电流法），然而实际上由于光电管的阴极反向电流（阳极制作过程沾上 少许阴极材料，入射光照射阳极或入射光从阴极反射到阳极之后都会造成阳极光电子发 射）、暗电流（无光照时，阴极本身的热电子发射）、本底电流（外界各种漫反射光照射所致）的影响，实测电流并非阴极电流，实测电流为零时对应的U 也并非截止电压。AK由于本实验仪器的电流放大器灵敏度高、稳定性好。光电管阳极反向电流、暗电 流也较低。在测量各谱线的截止电压时，可采用“零电流法”。1）
7、将“电流量程”选择开关置于所选档位（伏安特性测试时用10-ioA，截止 电压测试时用10-13A），将光电管暗箱电流输出端从实验仪后面板断开， 进行测试前调零。（注意：每次实验仪开机或改变电流量程后都要调零）2）待电流指示为000.0，电压指示为- - - -后，将光电管暗箱电流输出端与测试仪微电流输入端连接起来，按调零确认键，系统进入测试状态。3）选择手动测量截止电压模式。4）将直径4mm的光阑及365.0nm的滤光片装在光电管暗箱光输入口上（注 意：安装、更换光阑或滤光片时，要将汞灯的遮光盖盖好，以免强光直射 光电管）。5）从低到高调节电压，观察电流值的变化。用“零电流法” 测量该波长对
8、应的，并将测量数据记入表中。6）依次换上 404.7nm, 435.8nm, 546.1nm, 578.0nm 的滤光片，重复 5）的测量步骤。数据记录参考表光阑= mm波长（nm）365.0404.7435.8546.1578.0频率（1014Hz）8.2147.4086.8795.4905.196截止电压u （V）0i3、测光电管的伏安特性曲线时注意扫描区域和存储空间的选择：1）进行测试前调零，选择伏安特性测试的自动模式。2）测定光电管同一光强不同波长的伏安特性曲线。a. 将直径2mm的光阑及365.0nm的滤光片装在光电管暗箱光输入口上。b. 设置扫描起始和终止电压（-150V）。c.
9、按存储区 1 键，自动扫描开始。扫描结束时，查询灯亮。d. 用电压调节键改变电压值，查阅并记录（数据记录表自拟）扫描到的电压及相 应的电流值后，灭查询灯，进入新的测试状态。e. 依次换上435.8nm, 578.0nm的滤光片，重复b、c、d的测量步骤。f. 测量结束时，示波器上应留有三条伏安特性曲线。二、选作部分（自选测量方式、自拟数据记录表格）1、 用“补偿法”测截止电压求普朗克常数：补偿法是调节电压U 使电流为零后，保持U 不变，遮挡汞灯光源，此时测得AKAK的电流为电压接近截止电压时的暗电流和本底电流。重新让汞灯照射光电管，调节电压U 使电流值至，将此时对应的电压 U 的绝对值作为截止
10、电压。此法可补偿暗电流 AK AK和本底电流对测量结果的影响。2、测定光电管同一波长不同光强的伏安特性曲线，验证光电管的饱和光电流与入射光 强成正比（光强与光阑面积成正比）。数据处理要求：1、用最小二乘法得出直线的斜率。 根据线性回归理论，直线的斜率的最佳拟合值为：其中：v - U 一灯-U k =.00v 2 -V2V = 1 工 Vnii=1表示频率的平均值2ni i=1(V )2=(1 工 V )2nii=1表示频率的平方的平均值表示频率的平均值的平方0 n 0 i i=1表示截止电压的平均值V U =-工v - U表示频率与截止电压的乘积的平均值0 n i0 ii=1求出直线斜率k后，可用h = ek求出普朗克常数，并与的公认值比较，求出相对h h误差 E =x 100% （电子申量 e = 1.603 x 10-19 C， h = 6.626 x 10-34 J S ）。h00 2、作出光电管同一光强不同波长的伏安特性曲线（画在同一坐标系内）。思考题1、什么是金属材料的逸出功？如果一种物质的逸出功为2.0电子伏特，那么它做成光电管阴极时其截止频率是多少？ 为什么随着电压的增大，光电流会达到某个饱和值？
